CN111859738A - 一种暴雨环境下管道多物理场作用致灾机理演示方法 - Google Patents
一种暴雨环境下管道多物理场作用致灾机理演示方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111859738A CN111859738A CN202010603642.6A CN202010603642A CN111859738A CN 111859738 A CN111859738 A CN 111859738A CN 202010603642 A CN202010603642 A CN 202010603642A CN 111859738 A CN111859738 A CN 111859738A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- pipeline
- model
- fluid
- field
- disaster
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 title claims abstract description 51
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 49
- 230000009471 action Effects 0.000 title claims abstract description 22
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims abstract description 78
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims abstract description 46
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims abstract description 46
- 239000002689 soil Substances 0.000 claims abstract description 46
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims abstract description 45
- 239000004567 concrete Substances 0.000 claims abstract description 41
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims abstract description 32
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract description 22
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 20
- 230000005514 two-phase flow Effects 0.000 claims abstract description 14
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 claims abstract description 11
- 229920001903 high density polyethylene Polymers 0.000 claims abstract description 6
- 239000004700 high-density polyethylene Substances 0.000 claims abstract description 6
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 claims abstract description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 28
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 claims description 24
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims description 12
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 9
- 230000005484 gravity Effects 0.000 claims description 8
- 230000006870 function Effects 0.000 claims description 7
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 claims description 6
- 230000006835 compression Effects 0.000 claims description 6
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 6
- 230000010354 integration Effects 0.000 claims description 6
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 5
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 claims description 4
- 239000004033 plastic Substances 0.000 claims description 4
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 claims description 4
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 claims description 3
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 claims description 3
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 claims description 3
- 230000005477 standard model Effects 0.000 claims description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 3
- 230000005669 field effect Effects 0.000 claims 4
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 claims 3
- 230000001808 coupling effect Effects 0.000 abstract description 6
- 238000011160 research Methods 0.000 abstract description 5
- 230000004044 response Effects 0.000 abstract description 4
- -1 PCCP Substances 0.000 abstract description 3
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 5
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 4
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 4
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 3
- 230000002457 bidirectional effect Effects 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000005429 filling process Methods 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 239000004576 sand Substances 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 2
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000010205 computational analysis Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 201000010099 disease Diseases 0.000 description 1
- 208000037265 diseases, disorders, signs and symptoms Diseases 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 230000021715 photosynthesis, light harvesting Effects 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 239000011150 reinforced concrete Substances 0.000 description 1
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 238000012800 visualization Methods 0.000 description 1
- 239000011800 void material Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
- G06F30/28—Design optimisation, verification or simulation using fluid dynamics, e.g. using Navier-Stokes equations or computational fluid dynamics [CFD]
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/10—Geometric CAD
- G06F30/13—Architectural design, e.g. computer-aided architectural design [CAAD] related to design of buildings, bridges, landscapes, production plants or roads
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
- G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2113/00—Details relating to the application field
- G06F2113/08—Fluids
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2113/00—Details relating to the application field
- G06F2113/14—Pipes
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
- G06F2119/14—Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Geometry (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Mathematical Analysis (AREA)
- Pure & Applied Mathematics (AREA)
- Mathematical Optimization (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- Computing Systems (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Algebra (AREA)
- Architecture (AREA)
- Civil Engineering (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Computational Mathematics (AREA)
- Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)
Abstract
本发明涉及一种暴雨环境下管道多物理场作用致灾机理演示方法，包括S1、构建管道标准结构模型；S2、构建管道‑流体场耦合模型：设置所述管道的三维模型内部空间为流体场，管道内流体场为气液两相流场，并设置液相流场为紊流状态；S3、对所述管道‑流体场耦合模型进行耦合计算，进而得到管道上覆土压力、交通荷载和流体荷载对管道的致灾机理，并进行可视化展示。本发明可实现真正意义上的混凝土管道多物理场耦合求解，用于揭示暴雨环境下长期服役混凝土管道的致灾机理，同时可对影响混凝土管道力学响应的因素，如流量、流速、内压、管壁粗糙度等进行参数化分析，且该方法同样适用于混凝土、PCCP、HDPE等多种管道多物理场耦合作用下的致灾机理研究。
Description
技术领域
本发明涉及管道致灾机理研究领域，尤其涉及一种暴雨环境下管道多物理场作用致灾机理演示方法。
背景技术
在我国城市地下管网建设中，混凝土管道长度已经超过100万公里，且随着我国城镇化进程的加快，混凝土管道的建设规模还在不断攀升。然而，我国早期修建的混凝土管道服役时间较长，老旧失修问题异常突出，导致管道腐蚀、渗漏、脱空、脱节等病害共存，在某些不利条件组合下诱发爆管、地面坍塌等事故的概率显著增加。
当前针对埋地混凝土管道力学机理的研究大多只考虑交通荷载、管内流体、管土相互作用等单一因素，而实际中的管道通常受多种荷载的耦合作用，如交通荷载、上覆土压力和管内流体荷载。研究指出，当管道受流体荷载单独作用时，其对管道的影响并不显著，而当管内流体和其他荷载耦合作用时，可能会诱发不可预测的风险。
专利号为ZL201710012823.X的专利文献公开了一种基于计算流体动力学(CFD,Computational Fluid Dynamics)的管道快速充水过程中滞留气团热力学特性的模拟方法，首先进行三维建模、网格划分，然后采用VOF(Volume Of Fluid)方法进行气水两相瞬变流动计算；最后，利用后处理软件对计算结果进行处理。同时考虑水体、气体压缩性的基础上，考虑水体-气体-固体壁面之间的热传导及对流传热效应，从而更准确地模拟快速充水过程中能量耗散，进而更深入地研究该过程中气-水耦合作用及气团热动力学特性。但是不能有效的解决混凝土在暴雨情况下的致灾机理。
因而现有的混凝土致灾机理研究方面存在不足，还有待改进和提高。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种暴雨环境下管道多物理场作用致灾机理演示方法，能够用于揭示暴雨后长期服役的埋地混凝土管道在上覆土压力、交通荷载、管道内流体荷载共同作用下管道的致灾机理。
为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：
一种暴雨环境下管道多物理场作用致灾机理演示方法，包括
S1、构建管道标准结构模型：分别建立管道、土体、橡胶圈三维模型，构建以实际工况为基础的整合模型，将所述管道的内壁定义为耦合面，并在整合模型中土体上表面构建交通荷载模型，得到管道标准结构模型；
S2、构建管道-流体场耦合模型：设置所述管道的三维模型内部空间为流体场，管道内流体场为气液两相流场，并设置液相流场为紊流状态；将所述气液两相流场与所述管道标准结构模型进行耦合构建；
S3、对所述管道-流体场耦合模型进行耦合计算，进而得到管道上覆土压力、交通荷载和流体荷载对管道的致灾机理，并进行可视化展示。
优选的所述的暴雨环境下管道多物理场作用致灾机理演示方法，步骤S1中，构建所述管道标准结构模型步骤如下：
S11、分别按照预设工况建立管道、土体、橡胶圈三维模型；
S12、材料属性设置：使用CDP模型描述管道应力应变关系对管道赋予材料参数，同时对土体、橡胶圈赋予基础材料参数；所述应力应变关系包括受拉关系和受压关系；
S13、将管道、土体、橡胶圈装配成相互作用的整合模型，然后进行网络剖分处理；并将管道、土体、橡胶圈之间的接触界面采用库伦接触模型设定，并将管道内壁设定为耦合面；
S14、对整合模型进行边界条件设置，限制整合模型中土体四个侧面、底面及管道两端的法向位移自由度；然后创建进行土体静力分析模块和动力隐式分析模块，所述静力分析模块实现地应力平衡，在所述动力隐式分析模块上构建交通荷载，结合得到管道标准模型。
优选的所述的暴雨环境下管道多物理场作用致灾机理演示方法，步骤S12中，所述受拉关系的关系表达式为：
所述受压关系的关系表达式为：
其中：y为应力；x为应变；αt为管道材料单轴受拉应力应变关系曲线下降段的参数；αd为管道材料单轴受压应力应变关系曲线下降段的参数。
优选的所述的暴雨环境下管道多物理场作用致灾机理演示方法，CDP模型通过损伤因子来描述卸载时材料刚度退化现象，损伤因子求解方程为：
其中，dk为损伤因子；αk为管道屈服应力；t，c分别代表拉伸和压缩；β为塑性应变与非弹性应变的比例系数，受压时取0.35～0.7，受拉时取0.5～0.95；εin为管道材料拉压情况下的非弹性阶段应变；E0为管道弹性阶段的杨氏模量。
优选的所述的暴雨环境下管道多物理场作用致灾机理演示方法，步骤S2具体包括：
S21、设定所述管道标准结构模型中的管道的内部结构场为流体场，使所述流体场与所述内部结构场的坐标完全对应；
S22、将所述流体场设定为气液两相流，并定义所述流体场的边界壁面以及水和气的进出口面；同时设定液相流为紊流状态；
S23、将所述流体场与所述管道标准结构模型进行耦合构建。
优选的所述的暴雨环境下管道多物理场作用致灾机理演示方法，流体模型边界条件设定使用标准函数壁面发来模拟管道近壁面的流动情况，所述标准函数壁面公式为：
U*＝y* y*≤11.2；
其中，
k＝0.42，E＝8.955，Cμ＝0.09；UP是P点处流体的平均流速，kp是P点的湍流动能，yp是P点到壁面的距离，μ是流体的动态粘度系数；ρ是流体密度；τw为壁面切应力。
优选的所述的暴雨环境下管道多物理场作用致灾机理演示方法，所述交通荷载的形式为：
其中，p为轮胎静压；T为周期，
其中l为轮胎胎纹长度；v为车速。
8.根据权利要求1所述的暴雨环境下管道多物理场作用致灾机理演示方法，在步骤S2中，所述流体场选取VOF模型处理管道内气液两相流场，液体和气体遵循相同的动量守恒方程组；所述动量守恒方程组为：
其中，ρ为流体密度；
为速度矢量；p为大气压；μ为粘性系数；
为重力加速度；T为流体温度。
优选的所述的暴雨环境下管道多物理场作用致灾机理演示方法，所述步骤S2中，所述紊流状态使用可表征紊流状态RNG k-ε模型模拟，使用的运输方程为：
其中，ρ为液相流液体的密度；xi,xj为相互垂直的流体速度方向；k为湍动能；ε为湍动耗散率；∝k和∝ε为湍流普朗特数；μeff为有效粘度；C1ε，C2ε，η0和β为默认的参数；
Gk为平均速度梯度产生的湍流动能；Gb为浮力产生的湍流动能；ui为流体的速度。
优选的所述的暴雨环境下管道多物理场作用致灾机理演示方法，管道包括混凝土管道、PCCP管道、HDPE管道。
相较于现有技术，本发明提供的一种暴雨环境下管道多物理场作用致灾机理演示方法，本发明可实现真正意义上的混凝土管道多物理场耦合求解，用于揭示暴雨环境下长期服役混凝土管道的致灾机理，同时可对影响混凝土管道力学响应的因素，如流量、流速、内压、管壁粗糙度等进行参数化分析，且该方法同样适用于混凝土、PCCP、HDPE等多种管道多物理场耦合作用下的致灾机理研究。
附图说明
图1是本发明提供的暴雨环境下管道多物理场作用致灾机理演示方法的流程图；
图2是本发明提供的管道标准结构模型的结构图；
图3是本发明提供的管道-流体场耦合模型结构图；
图4是本发明提供的耦合计算流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请一并参阅图1-图4，本发明提供一种暴雨环境下管道多物理场作用致灾机理演示方法，包括
S1、构建管道标准结构模型：分别建立管道、土体、橡胶圈三维模型，构建以实际工况为基础的整合模型，将所述管道的内壁定义为耦合面，并在整合模型中土体上表面构建交通荷载模型，得到管道标准结构模型；
S2、构建管道-流体场耦合模型：设置所述管道的三维模型内部空间为流体场，管道内流体场为气液两相流场，并设置液相流场为紊流状态；将所述气液两相流场与所述管道标准结构模型进行耦合构建；
S3、对所述管道-流体场耦合模型进行耦合计算，进而得到管道上覆土压力、交通荷载和流体荷载对管道的致灾机理，并进行可视化展示。
具体的，本发明提供的致灾机理演示方法是为了求解在暴雨环境下地下管道可能的受灾机理，在对致灾机理进行求解过程中综合考虑土体、管道材料以及交通荷载的综合影响，使地下管道的致灾机理的演示具有理论依据。以下以混凝土管道为例对本发明做进一步说明，本发明具体提供的是一种暴雨环境下管道土压力—交通荷载—流体荷载耦合作用求解方法，可用于揭示暴雨后长期服役埋地混凝土管道在土压力—交通荷载—流体荷载耦合作用下的致灾机理。其中，采用ABAQUS 6.14-1和FLUENT 16.0分别建立混凝土管道及流体的三维精细化模型，基于MpCCI(Mesh-based parallel-Code Coupling Interface)软件平台联合求解ABAQUS中的结构场和FLUENT中的流场，实现真正意义上的多物理场耦合，同时可对影响混凝土管道力学响应的因素进行参数化分析，可以快速明确管道的致灾机理。当然，本发明提供的方法同样可求解PCCP、HDPE等管道的致灾机理。使用的方式需要使用不同的设置参数等，此处不做赘述。此处进行可视化展示的工具是计算机的自有显示器或者其他的显示器，展示时，可以是数据流的专业性展示，也可是模型动作自动化展示。
作为优选方案，本实施例中，步骤S1中，构建所述管道标准结构模型步骤如下：
S11、分别按照预设工况建立管道、土体、橡胶圈三维模型；
S12、材料属性设置：使用CDP模型描述管道应力应变关系对管道赋予材料参数，同时对土体、橡胶圈赋予基础材料参数；所述应力应变关系包括受拉关系和受压关系；
S13、将管道、土体、橡胶圈装配成相互作用的整合模型，然后进行网络剖分处理；并将管道、土体、橡胶圈之间的接触界面采用库伦接触模型设定，并将管道内壁设定为耦合面；
S14、对整合模型进行边界条件设置，限制整合模型中土体四个侧面、底面及管道两端的法向位移自由度；然后创建进行土体静力分析模块和动力隐式分析模块，所述静力分析模块实现地应力平衡，在所述动力隐式分析模块上构建交通荷载，结合得到管道标准模型。
具体的，以构建混凝土管道模型为例，首先是分别构建管道、土体和橡胶圈的三维模型，构建时，优选的操作步骤是在ABAQUS的Model模块中分别建立混凝土管道、土体、橡胶圈三维模型，土体模型的整体尺寸取长×宽×高为16m×10m×10m；管道内径1000mm，壁厚100mm，有效长度2.0m，承插口详细几何数据参见《混凝土和钢筋混凝土排水管—GBT11836-2009》，共八节；相连的两节之间连接是通过所述橡胶圈连接，橡胶圈截面简化为矩形；在土体中，管道埋深为1.0m；在管道下方铺设有50cm厚的砂石垫层和30cm厚的砂垫层，管道支撑角为120°。
然后是材料属性设置：在材料(Material)模块中分别对混凝土管道、土体、橡胶圈赋予材料参数，垫层采用线弹性本构，密度、弹性模量和泊松比分别为2200kg/m3、800MPa、0.2；土体采用摩尔—库本构模型，密度、弹性模量、泊松比、粘聚力和内摩擦角分别为1750kg/m3，50MPa、0.25、10kPa、20°；混凝土管道的材质为C30混凝土，采用混凝土损伤塑性模型(CDP模型)，具体参数设置如下：剪胀角(Dilation Angle)＝30°，流动势偏移量(Eccentricity)＝0.1，双轴受压与单轴受压极限强度比＝1.16，不变量应力比＝0.667，粘滞系数(Visosity Parameter)＝0.0005；所需CDP模型的应力应变数据可采用规范《混凝土结构设计规范(GB50010—2002)》附录C给出的混凝土本构关系计算，弹性阶段的应力应变关系通过杨氏模量E和极限弹性应力σt0(σc0)来实现，非弹性阶段的应力应变关系采用规范提供的混凝土应力应变关系确定。
作为优选方案，本实施例中，步骤S12中，所述受拉关系的关系表达式为：
所述受压关系的关系表达式为：
其中：y为应力；x为应变；αt为管道材料单轴受拉应力应变关系曲线下降段的参数；αd为管道材料单轴受压应力应变关系曲线下降段的参数。
考虑到CDP模型采用的是等向强化模型，根据规范提供的混凝土本构关系，混凝土管道模量E0取混凝土受拉开裂时的割线模量作为混凝土的初始弹性模量，对于C30混凝土，可取30GPa，泊松比根据规范推荐取为0.2。
作为优选方案，本实施例中，CDP模型通过损伤因子来描述卸载时材料刚度退化现象，损伤因子求解方程为：
其中，dk为损伤因子；αk为管道屈服应力；t，c分别代表拉伸和压缩；β为塑性应变与非弹性应变的比例系数，受压时取0.35～0.7，受拉时取0.5～0.95；εin为管道材料拉压情况下的非弹性阶段应变；E0为管道弹性阶段的杨氏模量。
执行完上述操作后，在ABAQUS的Assembly模块中将管道、土体和橡胶圈装配成为相互作用的整体。然后，优选的实施例中，在转配成功后，对装配后的模型进行网络剖分：模型结构的复杂性导致ABAQUS中剖分的网格无法满足计算精度，为此将创建好的模型导入Hypermesh 13.0软件中完成所有网格的划分，网格采用六面体结构，最大的网格尺寸为0.1m，并对靠近管道部分的土体网格进行加密处理，最小网格尺寸为0.02m；混凝土管道和干土体采用三维实体八节点减缩积分单元(C3D8R)，饱和土采用三维实体八节点应力—孔压耦合减缩积分单元(C3D8RP)，橡胶密封圈采用三维实体八节点协调减缩积分单元(C3D8RH)网格类型，并对所有网格进行了沙漏控制。
优选的，在管—土、承口—橡胶圈、插口—橡胶圈接触界面采用库伦摩擦接触模型进行接触设置，法向为“Hard”接触，切向为“Penalty”库伦摩擦，摩擦系数分别为0.3和0.4，特别的，这一步需要将管道内壁定义为耦合面。同时限制土体模型四个侧面、底面及管道两端的法向位移自由度。在Step模块创建地应力平衡分析步Geostatic，类型为“Fixed”，在Load模块中为整个模型添加z方向的重力，重力加速度为9.8m/s2，提交计算，得到结果文件geo.odb。
在Step模块创建分析步设置，分为创建静力分析步Step1和动力隐式分析步Step2，其中，静力分析步总时长为1.0s，步长为0.1s(静力分析步中时间无实际意义)；动力隐式分析步总时长为8.4s，步长为0.015s(每块网格尺寸为0.15m，车速为10m/s)。
在本实施例中，要进行交通荷载的施加：在Load模块中的Step1中施加z方向的重力，在动力隐式分析步Step2中创建类型为Pressure的交通荷载，通过Fortran语言编写Dload循环荷载子程序，交通荷载形式为
其中p为轮胎静压，T为周期，
其中l为轮胎胎纹长度，一般取15cm，v为车速；此外，需要在Load模块的预定义场中导入S6中计算得到的geo.odb(目的是实现地应力平衡)。完成上述所有步骤后，导出整个结构模型的INP文件。
作为优选方案，本实施例中，步骤S2具体包括：
S21、设定所述管道标准结构模型中的管道的内部结构场为流体场，使所述流体场与所述内部结构场的坐标完全对应；
S22、将所述流体场设定为气液两相流，并定义所述流体场的边界壁面以及水和气的进出口面；同时设定液相流为紊流状态；
S23、将所述流体场与所述管道标准结构模型进行耦合构建。
具体的，在所述流体场构建过程中，是以所述管道标准结构模型为基础进行设定的，因此，在所述流体场模型建立时，首先在ANSYS软件的DesignModel模块中建立三维流场模型，计算域为整个管道内部区域，其中流场和结构场的坐标必须完全对应，设置管内流场为气液两相流，并分别定义流域的边界壁面、水和气的进出口面)；然后将创建好的流场几何模型导入ICEM CFD模块中，采用按边布种的方式，利用“O-Block”网格划分技术划分六面体结构化网格，网格尺寸与结构场相近，以确保耦合精度；最后将划分好的流场网格导入FLUENT软件中。
在FLUENT中检查网格质量，网格质量检查合格后，根据耦合的需要依次设置流场求解器，为整个流场添加重力，重力加速度为9.8m/s2，方向同结构场模型。最后在FLUENT材料库赋予水和空气材料属性，并设置水为第一相，空气为第二相。
作为优选方案，本实施例中，在步骤S2中，所述流体场选取VOF模型处理管道内气液两相流场，VOF模型是一种在固定欧拉网格下的表面跟踪方法，液体和气体遵循相同的动量守恒方程组；所述动量守恒方程组为：
其中，ρ为流体密度；
为速度矢量；p为大气压；μ为粘性系数；
为重力加速度；T为流体温度。
管道内部流体包括气、液两相，通常情况下管内水流为紊流状态，选用可表征紊流状态的RNG k-ε模型来模拟管内流体。作为优选方案，本实施例中，所述紊流状态使用可表征紊流状态RNG k-ε模型模拟，使用的运输方程为：
其中，ρ为液相流液体的密度；xi,xj为相互垂直的流体速度方向；k为湍动能；ε为湍动耗散率；∝k和∝ε为湍流普朗特数；μeff为有效粘度；C1ε，C2ε，η0和β为默认的参数；
Gk为平均速度梯度产生的湍流动能；Gb为浮力产生的湍流动能；ui为流体在xi方向上的速度。
在执行完上述步骤后，需要进行模型边界的设定，首先设置流域下部为水流进口，上部为空气进口，将水流进口设置为速度进口，流速可根据规范要求自行设定，空气进口与大气连通，设置为压力入口，并将压力值设为大气压值，参考压力值设为0；然后设置出口边界条件，排水管道的出口也由空气和水组成，皆与大气联通，但出口处各相的流动情况未知，所以均采用压力出口，压力值为大气压值，出口参考压力值设为0，参考点的位置设在压力出口的几何中心的上方；最后选用标准函数壁面法来模拟管道近壁面的流动情况。作为优选方案，本实施例中，流体模型边界条件设定使用标准函数壁面发来模拟管道近壁面的流动情况，所述标准函数壁面公式为：
U*＝y* y*≤11.2；
其中，
k＝0.42，E＝8.955，Cμ＝0.09；UP是P点处流体的平均流速，kp是P点的湍流动能，yp是P点到壁面的距离，μ是流体的动态粘度系数；ρ是流体密度；τw为壁面切应力。
作为优选方案，本实施例中，步骤S3中，对所述管道-流体场耦合模型进行耦合计算进行以下过程：
FLUENT会根据设置自动选择合适的求解方法。流场的计算分析步为瞬态，其分析步长、总时长需要和结构场的保持统一(总时长8.4s，步长为0.015s)。最后进行整个流场的初始化。然后进行联立求解结构场和流场：采用MpCCI(Mesh-based parallel CodeCoupling Interface)平台进行多物理场耦合计算，具体步骤如下：
(1)模型文件准备：在ABAQUS和FLUENT中分别导出INP和CAS文件，用于导入MpCCI进行联立计算；
(2)耦合过程定义：首先启动MpCCI软件，耦合软件分别选择ABAQUS和FLUENT，依次导入并扫描INP和CAS两个计算文件，然后定义耦合区域需要交换的物理量(力、位移等)，并选择双向流固耦合的数据传输方式，最后定义流固耦合的分析步及步长；
(3)进行耦合计算：在耦合分析计算开始前，MpCCI首先调用ABAQUS进行结构场的单独计算，当计算至耦合分析步时，FLUENT自动进行双向流固耦合计算，此时需要在FLUENT中对整个流场进行初始化，计算过程可由MpCCI监视器随时查看；
(4)结果后处理：耦合计算结束后，在ABAQUS的Visualization模块中可查看管道的各项计算结果，并可根据需要对结果进行后处理。
综上，即可使用本发明提供的暴雨环境下管道多物理场作用致灾机理演示方法揭示暴雨环境下长期服役混凝土管道的致灾机理，同时可对影响混凝土管道力学响应的因素，如流量、流速、内压、管壁粗糙度等进行参数化分析，且该方法同样适用于混凝土、PCCP、HDPE等多种管道多物理场耦合作用下的致灾机理研究。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种暴雨环境下管道多物理场作用致灾机理演示方法，其特征在于，包括
S1、构建管道标准结构模型：分别建立管道、土体、橡胶圈三维模型，构建以实际工况为基础的整合模型，将所述管道的内壁定义为耦合面，并在整合模型中土体上表面构建交通荷载模型，得到管道标准结构模型；
S2、构建管道-流体场耦合模型：设置所述管道的三维模型内部空间为流体场，管道内流体场为气液两相流场，并设置液相流场为紊流状态；将所述气液两相流场与所述管道标准结构模型进行耦合构建；
S3、对所述管道-流体场耦合模型进行耦合计算，进而得到管道上覆土压力、交通荷载和流体荷载对管道的致灾机理，并进行可视化展示。
2.根据权利要求1所述的暴雨环境下管道多物理场作用致灾机理演示方法，其特征在于，步骤S1中，构建所述管道标准结构模型步骤如下：
S11、分别按照预设工况建立管道、土体、橡胶圈三维模型；
S12、材料属性设置：使用CDP模型描述管道应力应变关系对管道赋予材料参数，同时对土体、橡胶圈赋予基础材料参数；所述应力应变关系包括受拉关系和受压关系；
S13、将管道、土体、橡胶圈装配成相互作用的整合模型，然后进行网络剖分处理；并将管道、土体、橡胶圈之间的接触界面采用库伦接触模型设定，并将管道内壁设定为耦合面；
S14、对整合模型进行边界条件设置，限制整合模型中土体四个侧面、底面及管道两端的法向位移自由度；然后创建进行土体静力分析模块和动力隐式分析模块，所述静力分析模块实现地应力平衡，在所述动力隐式分析模块上构建交通荷载，结合得到管道标准模型。
3.根据权利要求2所述的暴雨环境下管道多物理场作用致灾机理演示方法，其特征在于，步骤S12中，所述受拉关系的关系表达式为：
所述受压关系的关系表达式为：
其中：y为应力；x为应变；αt为管道材料单轴受拉应力应变关系曲线下降段的参数；αd为管道材料单轴受压应力应变关系曲线下降段的参数。
4.根据权利要求3所述的暴雨环境下管道多物理场作用致灾机理演示方法，其特征在于，CDP模型通过损伤因子来描述卸载时材料刚度退化现象，损伤因子求解方程为：
其中，dk为损伤因子；αk为管道屈服应力；t，c分别代表拉伸和压缩；β为塑性应变与非弹性应变的比例系数，受压时取0.35～0.7，受拉时取0.5～0.95；εin为管道材料拉压情况下的非弹性阶段应变；E0为管道弹性阶段的杨氏模量。
5.根据权利要求1所述的暴雨环境下管道多物理场作用致灾机理演示方法，其特征在于，步骤S2具体包括：
S21、设定所述管道标准结构模型中的管道的内部结构场为流体场，使所述流体场与所述内部结构场的坐标完全对应；
S22、将所述流体场设定为气液两相流，并定义所述流体场的边界壁面以及水和气的进出口面；同时设定液相流为紊流状态；
S23、将所述流体场与所述管道标准结构模型进行耦合构建。
6.根据权利要求5所述的暴雨环境下管道多物理场作用致灾机理演示方法，其特征在于，流体模型边界条件设定使用标准函数壁面发来模拟管道近壁面的流动情况，所述标准函数壁面公式为：
U*＝y* y*≤11.2；
其中，
k＝0.42，E＝8.955，Cμ＝0.09；UP是P点处流体的平均流速，kp是P点的湍流动能，yp是P点到壁面的距离，μ是流体的动态粘度系数；ρ是流体密度；τw为壁面切应力。
7.根据权利要求1所述的暴雨环境下管道多物理场作用致灾机理演示方法，其特征在于，所述交通荷载的形式为：
其中，p为轮胎静压；T为周期，
其中l为轮胎胎纹长度；v为车速。
8.根据权利要求1所述的暴雨环境下管道多物理场作用致灾机理演示方法，其特征在于，在步骤S2中，所述流体场选取VOF模型处理管道内气液两相流场，液体和气体遵循相同的动量守恒方程组；所述动量守恒方程组为：
其中，ρ为流体密度；
为速度矢量；p为大气压；μ为粘性系数；
为重力加速度；T为流体温度。
9.根据权利要求1所述的暴雨环境下管道多物理场作用致灾机理演示方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述紊流状态使用可表征紊流状态RNG k-ε模型模拟，使用的运输方程为：
其中，ρ为液相流液体的密度；xi,xj为相互垂直的流体速度方向；k为湍动能；ε为湍动耗散率；∝k和∝ε为湍流普朗特数；μeff为有效粘度；C1ε，C2ε，η0和β为默认的参数；
Gk为平均速度梯度产生的湍流动能；Gb为浮力产生的湍流动能；ui为流体在xi方向上的速度。
10.根据权利要求1所述的暴雨环境下管道多物理场作用致灾机理演示方法，其特征在于，管道包括混凝土管道、PCCP管道、HDPE管道。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010603642.6A CN111859738B (zh) | 2020-06-29 | 2020-06-29 | 一种暴雨环境下管道多物理场作用致灾机理演示方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010603642.6A CN111859738B (zh) | 2020-06-29 | 2020-06-29 | 一种暴雨环境下管道多物理场作用致灾机理演示方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111859738A true CN111859738A (zh) | 2020-10-30 |
| CN111859738B CN111859738B (zh) | 2024-03-19 |
Family
ID=72989573
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010603642.6A Active CN111859738B (zh) | 2020-06-29 | 2020-06-29 | 一种暴雨环境下管道多物理场作用致灾机理演示方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111859738B (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115906710A (zh) * | 2022-12-27 | 2023-04-04 | 中国人民解放军海军工程大学 | 一种高压空气管路流动介质应力分布的模拟方法 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2015110599A1 (en) * | 2014-01-24 | 2015-07-30 | Ledaflow Technologies Da | Method for transient quasi three-dimensional simulation of multiphase fluid flow in pipelines |
| CN111062154A (zh) * | 2019-11-18 | 2020-04-24 | 华北水利水电大学 | 一种南水北调渠系建筑物流固耦合计算方法 |
-
2020
- 2020-06-29 CN CN202010603642.6A patent/CN111859738B/zh active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2015110599A1 (en) * | 2014-01-24 | 2015-07-30 | Ledaflow Technologies Da | Method for transient quasi three-dimensional simulation of multiphase fluid flow in pipelines |
| CN111062154A (zh) * | 2019-11-18 | 2020-04-24 | 华北水利水电大学 | 一种南水北调渠系建筑物流固耦合计算方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 史潇;孙明;: "江苏城市内涝预警系统设计技术与研究", 现代测绘, no. 05 * |
| 张倩;何文社;: "腐蚀混凝土管道气液两相流非线性有限元分析", 水利与建筑工程学报, no. 02 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115906710A (zh) * | 2022-12-27 | 2023-04-04 | 中国人民解放军海军工程大学 | 一种高压空气管路流动介质应力分布的模拟方法 |
| CN115906710B (zh) * | 2022-12-27 | 2024-03-01 | 中国人民解放军海军工程大学 | 一种高压空气管路流动介质应力分布的模拟方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111859738B (zh) | 2024-03-19 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Zheng et al. | Reformulation of dynamic crack propagation using the numerical manifold method | |
| Okereke et al. | Finite element applications | |
| Hu et al. | Numerical wave tank study of extreme waves and wave-structure interaction using OpenFoam® | |
| Munjiza et al. | FSIS: a novel fluid–solid interaction solver for fracturing and fragmenting solids | |
| Shou et al. | 3D numerical simulation of initiation, propagation and coalescence of cracks using the extended non-ordinary state-based peridynamics | |
| CN107590336A (zh) | 燃气管道泄漏对内部流场影响的数值模拟方法 | |
| Khazaee et al. | Application of perfectly matched layers in the transient analysis of dam–reservoir systems | |
| Vahab et al. | Numerical investigation of the flow regimes through hydraulic fractures using the X-FEM technique | |
| Kim et al. | DEM simulation of collapse behaviours of unsaturated granular materials under general stress states | |
| Gu et al. | OpenSees-SNOPT framework for finite-element-based optimization of structural and geotechnical systems | |
| Seyedpoor et al. | Shape optimal design of arch dams including dam-water–foundation rock interaction using a grading strategy and approximation concepts | |
| Finnegan et al. | Linear irregular wave generation in a numerical wave tank | |
| Ren et al. | Dynamic assessment of saturated reinforced-soil retaining wall | |
| Zhao et al. | Thermomechanical formulation for micromechanical elasto-plasticity in granular materials | |
| Kalateh et al. | Simulation of cavitating fluid–Structure interaction using SPH–FE method | |
| CN111859738A (zh) | 一种暴雨环境下管道多物理场作用致灾机理演示方法 | |
| Rouzegar et al. | Modeling dynamic fracture in Kirchhoff plates and shells using the extended finite element method | |
| Kalateh et al. | Finite element simulation of acoustic cavitation in the reservoir and effects on dynamic response of concrete dams | |
| Xu et al. | Investigation on artificial boundary problem in the combined finite-discrete element method (FDEM) | |
| Liu et al. | Finite element modeling of wave propagation problems in multilayered soils resting on a rigid base | |
| Zheng et al. | A mathematical programming approach for frictional contact problems with the extended finite element method | |
| Battaglia et al. | Numerical simulation of transient free surface flows using a moving mesh technique | |
| Sabbagh-Yazdi et al. | Earthquake damage estimation of the Koyna concrete gravity dam using explicit GFVM model considering fluid–structure interaction | |
| Tachibana et al. | Characterization of transition from Darcy to non-Darcy flow with 3D pore-level simulations | |
| Kwon | Coupling of lattice Boltzmann and finite element methods for fluid-structure interaction application |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |